肖 武， 吳靜謐， 冉慧麗， 張永策， 李 煥， 毛金群， 賀高紅

(大連理工大學(xué)化工與環(huán)境生命學(xué)部，遼寧大連116023)

0 引言

隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、立體顯示技術(shù)、人工智能等高新技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到了快速發(fā)展，并廣泛運用于工業(yè)仿真、技能訓(xùn)練、教育等各個領(lǐng)域。虛擬實驗室［1-4］是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的重要應(yīng)用，與傳統(tǒng)的實驗室相比有著快速高效、功能全、低成本、分布式等特點［3，5］，將會成為未來實驗教學(xué)的重要方式。

固定床反應(yīng)器［6］是一種常用的化學(xué)反應(yīng)器，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、催化劑機械磨損小、選擇性高等特點，廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)及石油化學(xué)工業(yè)。由于化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，反應(yīng)物物性和反應(yīng)放熱差異較大等因素，在工程應(yīng)用中需要采用不同的固定床反應(yīng)器模型。建立能夠準(zhǔn)確描述化工生產(chǎn)過程特性的數(shù)學(xué)模型，對實現(xiàn)反應(yīng)器合理的放大設(shè)計和優(yōu)化操作有著重要的意義。

本文采用一維理想擬均相模型對氨合成塔進(jìn)行模擬，基于Virtools軟件［7-13］進(jìn)行模擬程序開發(fā)，以獲得氨合成塔各床高下的氨氣摩爾分?jǐn)?shù)、催化床層溫度、冷管溫度等參數(shù)。在3ds Max中對氨合成塔系統(tǒng)進(jìn)行三維建模，并將模型導(dǎo)入Virtools。在Virtools中通過編譯交互腳本實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和三維交互，構(gòu)建三維情景化交互的氨合成塔虛擬系統(tǒng)，可用于化工實驗教學(xué)與操作培訓(xùn)。

1 氨合成塔模擬

合成氨反應(yīng)器常稱之為氨合成塔［14］，按照內(nèi)冷自熱式三套管氨合成反應(yīng)器探討一維擬均相數(shù)學(xué)模型。內(nèi)冷自熱式三套管氨合成反應(yīng)器由耐壓外筒及內(nèi)件催化劑筐組成。催化劑筐內(nèi)裝有鐵系催化劑，筐下方設(shè)置有外置換熱器。參數(shù)源自文獻(xiàn)［14］，如表1、2所示。

表1 氨合成塔參數(shù)

表2 氨合成塔催化劑參數(shù)

通過Virtools軟件中的VSL語言編寫程序得到氨合成塔的模擬結(jié)果，并與原文獻(xiàn)［14］進(jìn)行對比，如表3所示。

結(jié)果表明:模擬數(shù)據(jù)中，除了tb的第4～7組數(shù)據(jù)誤差超過10%以外，其它模擬數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)誤差均在10%以內(nèi)。分析造成誤差較大的原因為本文在數(shù)學(xué)模型的求解方法較文獻(xiàn)中進(jìn)行了簡化，同時參數(shù)的選定也與文獻(xiàn)不盡相同，如:等壓摩爾熱熔，傳熱系數(shù)等，但數(shù)據(jù)總體趨勢與文獻(xiàn)中保持一致。模擬數(shù)據(jù)具有一定的參考價值與利用價值，可用于虛擬系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)。

表3 氨合成塔模擬數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對比表

2 氨合成塔虛擬系統(tǒng)模型構(gòu)建

2．1模型構(gòu)建流程簡述

三維模型的建立是后續(xù)虛擬交互設(shè)計的基礎(chǔ)，模型的質(zhì)量直接關(guān)系到最終作品的質(zhì)量。圖1所示為模型構(gòu)建的流程圖。

圖1 模型構(gòu)建流程圖

氨合成反應(yīng)過程中包含的設(shè)備有原料氣儲罐、壓縮機、氨合成塔、分離裝置、冷卻裝置、泵、液氨儲罐等。在充分了解真實設(shè)備，包括外觀、尺寸、結(jié)構(gòu)等依據(jù)后，按照實物的屬性進(jìn)行建模，再按照工藝流程圖來連接各種設(shè)備模型。實驗設(shè)備、實驗場景及外部環(huán)境的模型建立后需要優(yōu)化整合，最后將3D文件以nmo格式輸出，三維模型繼續(xù)在Virtools中，進(jìn)行交互設(shè)計。

2．2 虛擬設(shè)備構(gòu)建

虛擬設(shè)備的構(gòu)建包括1個原料氣儲罐，1個壓縮機，1個換熱器，1個合成氨塔，1個冷卻塔(示意)，1個分離塔(示意)，1個泵，1個液氨儲罐，樓梯及操作平臺的三維造型(多邊形、三角形和頂點)及其外觀處理(紋理、材質(zhì)、光照、表面反射系數(shù)等)。

3ds Max是美國Autodesk公司開發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件［15］，為虛擬氨合成塔設(shè)備幾何模型的建立提供了良好的技術(shù)支持。在3ds Max通過旋轉(zhuǎn)建模［16-17］建立塔和儲罐的模型，通過loft放樣建模建立管道的模型，通過組合建模法建立泵、壓縮機等比較復(fù)雜設(shè)備的模型。Virtools平臺中，采用Normal Mapping和Shader等次世代圖形圖像技術(shù)進(jìn)行凹凸材質(zhì)、半透明材質(zhì)以及反射材質(zhì)的制作，使模型具有與真實物體相同的凹凸、明暗效果和透明及反射特性。虛擬設(shè)備經(jīng)過貼圖后仿真度提高，三維效果逼真，如圖2～5所示。

2．3 虛擬角色和虛擬工廠環(huán)境建模

采用Polygon建模建立虛擬角色的表面模型，再使用Unwrap UVW修改器展開臉部UV坐標(biāo)圖像，在Photoshop中繪制人物的臉部和衣物，然后再回到3ds Max中進(jìn)行貼圖。構(gòu)建的人物模型如圖6所示。

圖2 壓縮機效果圖

圖3 換熱器效果圖

圖4 原料氣儲罐效果圖

圖5 樓梯效果圖

圖6 虛擬角色模型

在實地考察的基礎(chǔ)上通過平面設(shè)計與繪圖，構(gòu)建了逼真的工廠環(huán)境，包括:天空、草地、路面等。在整個系統(tǒng)三維模型的構(gòu)建過程中要分清主次，全面考慮實際效果，即在系統(tǒng)承受的范圍內(nèi)對生產(chǎn)設(shè)備采取細(xì)節(jié)描述，而對虛擬角色和輔助場景設(shè)計降低到能夠接受的程度即可。構(gòu)建的氨合成塔虛擬系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 氨合成塔虛擬系統(tǒng)

3 氨合成塔虛擬系統(tǒng)交互功能實現(xiàn)

3．1 氨合成塔虛擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互

氨合成反應(yīng)工段是氨合成生產(chǎn)過程中十分重要的部分，是氨合成的核心。為了嚴(yán)格、準(zhǔn)確地控制氨合成工藝參數(shù)，提高生產(chǎn)質(zhì)量和過程的自動化程度，在工廠通常對該過程采用DCS［18］進(jìn)行控制。

參考工廠DCS圖，設(shè)計本研究氨合成反應(yīng)工段的簡要流程，包括一個原料氣儲罐V301，一個流量控制閥，一個壓縮機，一個換熱器E301(冷卻水為冷卻介質(zhì))，一個合成氨塔R301。

在Flash軟件中繪制氨合成塔反應(yīng)工段的DCS圖，如圖8所示。圖中可顯示氨分解基氣體流量FR301，反應(yīng)壓力 P301，催化床層溫度 Tb301、Tb302、Tb303、Tb304、Tb305、Tb306、Ta303、Ta304、Ta305、Ta306。制圖完成后以png格式輸出。

圖8 Flash軟件繪制的DCS控制圖

選擇模擬結(jié)果中第1、3、6、10、13、16 組的 tb、ta作為 DCS 控制圖中顯示的 Tb1、Tb2、Ta2、Tb3、Ta3、Tb4、Ta4、Tb5、Ta5、Tb6、Ta6，在主程序最后增加相應(yīng)程序，為每個需要顯示數(shù)據(jù)的位置添加二維幀，編寫B(tài)B模塊。程序運行后，數(shù)據(jù)顯示在DCS圖中，如圖9所示。

3．2 氨合成塔虛擬系統(tǒng)三維交互

為了使構(gòu)建的氨合成塔虛擬系統(tǒng)操作更真實，本文通過虛擬系統(tǒng)進(jìn)行界面設(shè)計，包括虛擬系統(tǒng)名稱，登陸系統(tǒng)以及天氣顯示，界面設(shè)計如圖10所示。

圖9 合成氨工段DCS數(shù)據(jù)顯示圖

圖10 氨合成塔虛擬系統(tǒng)界面

設(shè)置運動控制之前將所有導(dǎo)出的動作賦予角色，并通過BB模塊來控制角色的動作。設(shè)置虛擬場景中障礙物的屬性，并對虛擬角色添加相應(yīng)的 Building Blocks進(jìn)行法陣碰撞設(shè)置。通過編輯BB模塊，實現(xiàn)點擊氨合成塔顯示DCS圖的功能。

通過Virtools構(gòu)建的氨合成塔虛擬系統(tǒng)，實現(xiàn)了登錄氨合成系統(tǒng)，虛擬角色漫游，避開障礙物，走上樓梯，進(jìn)入二層操作臺，通過點擊氨合成塔，顯示DCS圖。操作后如圖11所示。構(gòu)建的氨合成塔虛擬系統(tǒng)沉浸感強、功能完善、交互操作逼真。

圖11 虛擬角色操作后DCS顯示的效果圖

4 結(jié)論

本文基于Virtools軟件對氨合成塔進(jìn)行了模擬，并構(gòu)建了氨合成塔虛擬實驗室:

(1)在Virtools中利用VSL語言對氨合成塔進(jìn)行編程模擬，得到了氨合成塔內(nèi)的溫度分布，且數(shù)據(jù)誤差在允許范圍內(nèi)，可用于虛擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互。

(2)在3ds Max中完成了對氨合成塔系統(tǒng)的模型構(gòu)建。

(3)在Virtools中實現(xiàn)了虛擬系統(tǒng)的交互功能，包括:數(shù)據(jù)交互，虛擬角色漫游功能以及操作功能等，即:登陸系統(tǒng)后，虛擬角色可以完成在系統(tǒng)中行走，且不穿越裝置，上樓梯到達(dá)操作平臺，點擊氨合成塔，屏幕上顯示氨合成塔DCS圖。

本文所開發(fā)的氨合成塔虛擬系統(tǒng)沉浸感強，操作簡便，交互逼真，突破了實驗室在時間、空間和地域方面的限制，可用于化工實驗教學(xué)與操作培訓(xùn)。

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